IT202200000524A1 - MICROELECTROMECHANICAL GYROSCOPE WITH OUT-OF-PLANE SENSING MOVEMENT HAVING IMPROVED ELECTRICAL CHARACTERISTICS - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
?GIROSCOPIO MICROELETTROMECCANICO CON MOVIMENTO DI RILEVAMENTO FUORI DAL PIANO AVENTE MIGLIORATE CARATTERISTICHE ELETTRICHE? ?MICROELECTROMECHANICAL GYROSCOPE WITH OUT-OF-PLANE SENSING MOVEMENT HAVING IMPROVED ELECTRICAL CHARACTERISTICS?
La presente invenzione ? relativa ad un giroscopio microelettromeccanico (di tipo MEMS, Micro-Electro-Mechanical Sensor), con movimento di rilevamento fuori dal piano avente migliorate caratteristiche elettriche, in particolare avente una migliorata stabilit? rispetto a sollecitazioni (stress) o stimoli esterni, che costituiscono un disturbo rispetto ad una grandezza (velocit? angolare) da rilevare. This invention? relating to a microelectromechanical gyroscope (MEMS type, Micro-Electro-Mechanical Sensor), with out-of-plane detection movement having improved electrical characteristics, in particular having improved stability? with respect to solicitations (stress) or external stimuli, which constitute a disturbance with respect to a quantity (angular velocity) to be detected.
Sono noti giroscopi MEMS la cui struttura di rilevamento comprende almeno una massa mobile, cosiddetta ?massa di rotore?, disposta sospesa al di sopra di un substrato ed avente un piano di estensione principale parallelo, in condizione di riposo, ad un piano orizzontale e ad una superficie superiore dello stesso substrato. MEMS gyroscopes are known whose sensing structure includes at least one mobile mass, the so-called "rotor mass", arranged suspended above a substrate and having a main extension plane parallel, in the rest condition, to a horizontal plane and to a top surface of the same substrate.
Quando alla massa mobile del giroscopio MEMS, che ? mantenuta in azionamento con una velocit? lineare, viene applicata una rotazione ad una certa velocit? angolare (il cui valore deve essere rilevato), la massa mobile avverte una forza apparente, chiamata forza di Coriolis, che ne determina uno spostamento in direzione perpendicolare alla direzione della velocit? lineare di azionamento ed all?asse intorno al quale si verifica la rotazione. La massa mobile ? supportata tramite elementi elastici che ne consentono uno spostamento nella direzione della forza apparente. In base alla legge di Hooke, lo spostamento ? proporzionale a tale forza apparente, essendo dunque indicativo della forza di Coriolis e del valore della velocit? angolare. When at the moving mass of the MEMS gyroscope, which is? kept in motion with a speed? linear, a rotation is applied at a certain speed? angular (whose value must be detected), the mobile mass feels an apparent force, called Coriolis force, which determines a movement in a direction perpendicular to the direction of the velocity? linear drive and the axis around which the rotation occurs. The mobile mass? supported by elastic elements that allow it to move in the direction of the apparent force. According to Hooke's law, the displacement is proportional to this apparent force, therefore being indicative of the Coriolis force and the value of the velocity? angular.
In particolare, nel caso in questione di giroscopio con movimento fuori dal piano, l?azionamento lineare ? implementato lungo un primo asse del piano orizzontale e la velocit? angolare ? rilevata intorno ad un secondo asse del piano orizzontale, ortogonale al suddetto primo asse, cos? che lo spostamento della massa mobile per effetto di Coriolis avviene lungo una direzione ortogonale allo stesso piano orizzontale, lungo un asse verticale z. In particular, in the case in question of a gyroscope with out-of-plane movement, the linear drive is implemented along a first axis of the horizontal plane and the speed? angular? detected around a second axis of the horizontal plane, orthogonal to the aforementioned first axis, so? that the movement of the mobile mass due to the Coriolis effect occurs along a direction orthogonal to the same horizontal plane, along a vertical z axis.
Lo spostamento della massa mobile pu? ad esempio essere rilevato in modo capacitivo, determinando, in condizione di risonanza, le variazioni di capacit? causate dal movimento della massa mobile rispetto ad elettrodi di rilevamento fissi, cosiddetti ?elementi di statore?, formanti con la stessa massa mobile almeno un condensatore di rilevamento. The movement of the mobile mass can? for example be detected in a capacitive way, determining, in a resonance condition, the variations in capacitance? caused by the movement of the mobile mass with respect to fixed detection electrodes, so-called "stator elements", forming at least one detection capacitor with the same mobile mass.
La massa mobile ? accoppiata ad un relativo ancoraggio di rotore (solidale al substrato) mediante elementi elastici, che ne consentono i movimenti di azionamento e rilevamento della velocit? angolare. The mobile mass? coupled to a relative rotor anchoring (integral to the substrate) by means of elastic elements, which allow the drive movements and speed detection? angular.
Gli elementi di statore sono a loro volta accoppiati solidalmente al substrato mediante rispettivi ancoraggi di statore, in modo da essere accoppiati capacitivamente al rotore per formare il condensatore di rilevamento, la cui variazione capacitiva ? indicativa della velocit? angolare rilevata. The stator elements are in turn coupled integrally to the substrate by means of respective stator anchors, so as to be capacitively coupled to the rotor to form the sensing capacitor, whose capacitive variation is ? indicative of the speed? angle detected.
In particolare, nella struttura di rilevamento, gli ancoraggi di rotore e di statore hanno una duplice funzione, di ancoraggio meccanico nei confronti del substrato ed inoltre di accoppiamento elettrico per la polarizzazione dei corrispondenti elementi di statore e della massa mobile e per il rilevamento del segnale di variazione capacitiva. In particular, in the detection structure, the rotor and stator anchors have a dual function, of mechanical anchoring towards the substrate and also of electrical coupling for the polarization of the corresponding stator elements and the mobile mass and for the detection of the signal of capacitive variation.
In modo noto, la struttura di rilevamento del giroscopio MEMS ? alloggiata all?interno di un package, tipicamente insieme ad una relativa circuiteria elettronica ASIC (Application Specific Integrated Circuit), che ne costituisce l?interfaccia meccanica ed elettrica verso l?esterno, ad esempio verso un apparecchio elettronico in cui lo stesso giroscopio MEMS ? impiegato. In a known way, the sensing structure of the MEMS gyroscope is ? housed inside a package, typically together with a related ASIC (Application Specific Integrated Circuit) electronic circuitry, which constitutes the mechanical and electrical interface towards the outside, for example towards an electronic device in which the MEMS gyroscope itself is employee.
Un problema che affligge i giroscopi MEMS (ed in generale i sensori MEMS aventi strutture di rilevamento di tipo capacitivo) ? legato al possibile verificarsi di errori di misura qualora si verifichino stress e deformazioni, in particolare indotte nella relativa struttura di rilevamento per effetto dell?interazione con il package, ad esempio al variare della temperatura e/o delle condizioni ambientali o a causa di sollecitazioni meccaniche. A problem that affects MEMS gyroscopes (and in general MEMS sensors with capacitive sensing structures)? linked to the possible occurrence of measurement errors if stress and deformations occur, in particular induced in the relevant detection structure as a result of the interaction with the package, for example as a result of changes in temperature and/or environmental conditions or due to mechanical stress.
Ad esempio, il package di un sensore MEMS ? soggetto a deformazioni al variare della temperatura, dovute ai diversi coefficienti di dilatazione termica e ai diversi valori del modulo di Young dei differenti materiali di cui ? composto, potendo causare corrispondenti deformazioni del substrato della struttura di rilevamento contenuta al suo interno; analoghe deformazioni si possono verificare a causa dell?invecchiamento dei materiali, o di particolari stress indotti dall?esterno, ad esempio in occasione della saldatura del package su un circuito stampato, o in seguito all?assorbimento di umidit? da parte dei materiali che costituiscono lo stesso package. For example, the package of a MEMS sensor ? subject to deformations as the temperature varies, due to the different coefficients of thermal expansion and the different values of the Young's modulus of the different materials of which ? compound, being able to cause corresponding deformations of the substrate of the detection structure contained within it; similar deformations can occur due to the aging of the materials, or particular stresses induced from the outside, for example when the package is soldered onto a printed circuit, or following the absorption of humidity. by the materials that make up the same package.
Come mostrato schematicamente in Figura 1, in presenza di deformazioni del substrato, indicato con 2, ad esempio dovute ad uno stress termico associato ad un gradiente di temperatura, pu? ad esempio verificarsi una deformazione (o curvatura) della superficie superiore, indicata con 2a dello stesso substrato 2 (la Figura 1 mostrando in maniera accentuata tale deformazione, per motivi di chiarezza di illustrazione), che pu? comportare un variazione della distanza reciproca degli ancoraggi di statore 3a, 3b (a cui sono accoppiati solidalmente gli elementi di statore) da un ancoraggio di rotore 4 (a cui ? accoppiata elasticamente la massa mobile della struttura di rilevamento), rispetto ad una condizione iniziale di riposo, ovvero in assenza di velocit? angolare da rilevare. As shown schematically in Figure 1, in the presence of deformations of the substrate, indicated with 2, for example due to a thermal stress associated with a temperature gradient, it can for example, there may be a deformation (or curvature) of the upper surface, indicated with 2a of the same substrate 2 (Figure 1 showing this deformation in an accentuated manner, for reasons of clarity of illustration), which can? entail a variation in the mutual distance of the stator anchors 3a, 3b (to which the stator elements are integrally coupled) from a rotor anchor 4 (to which the mobile mass of the sensing structure is elastically coupled), compared to an initial condition at rest, or in the absence of speed? angle to detect.
Di conseguenza, si verifica una variazione indesiderata della capacit? del condensatore di rilevamento formato tra la stessa massa mobile e gli elettrodi di statore, in condizione di riposo, con una conseguente variazione del cosiddetto livello di zero (ZRL - Zero Rate Level) del giroscopio MEMS. Tale variazione risulta inoltre variabile in funzione della temperatura, o in generale di tutti quegli effetti esterni in grado di indurre deformazioni dello stesso substrato 2. As a result, an unwanted change in capacity occurs. of the detection capacitor formed between the mobile mass itself and the stator electrodes, in the rest condition, with a consequent variation of the so-called zero level (ZRL - Zero Rate Level) of the MEMS gyroscope. This variation is also variable as a function of the temperature, or in general of all those external effects capable of inducing deformations of the substrate 2 itself.
In sostanza, si verifica dunque una variazione (cosiddetto ?drift?) del segnale di uscita a riposo fornito dal giroscopio MEMS, il suddetto livello ZRL, ed un conseguente errore nel rilevamento di velocit? angolare. In generale, i fenomeni descritti determinano una instabilit? dell?uscita di rilevamento fornita dal giroscopio MEMS durante la vita dello stesso giroscopio MEMS. In essence, there is therefore a variation (so-called "drift") of the resting output signal provided by the MEMS gyroscope, the aforementioned ZRL level, and a consequent error in speed detection. angular. In general, the phenomena described determine an instability? of the tracking output provided by the MEMS gyro during the life of the MEMS gyro.
Per ovviare a tale inconveniente sono state proposte svariate soluzioni, alcune che prevedono l?ottimizzazione meccanica della struttura di rilevamento, altre che prevedono una compensazione di natura elettronica; le soluzioni note non risultano tuttavia del tutto soddisfacenti, in quanto in generale risultano di complessa realizzazione e/o richiedono consumi di energia elevati. To overcome this drawback, various solutions have been proposed, some involving the mechanical optimization of the detection structure, others involving electronic compensation; However, known solutions are not entirely satisfactory, as they are generally complex to implement and/or require high energy consumption.
La presente soluzione si prefigge lo scopo di risolvere i problemi precedentemente evidenziati, al fine di fornire un giroscopio MEMS che presenti migliorata stabilit? e ridotte derive delle sue caratteristiche elettriche rispetto a stimoli esterni, quali variazioni termiche, o stress meccanici o ambientali o altri stimoli esterni di varia natura. The present solution aims to solve the problems previously highlighted, in order to provide a MEMS gyroscope that presents improved stability. and reduced drifts of its electrical characteristics with respect to external stimuli, such as thermal variations, or mechanical or environmental stress or other external stimuli of various nature.
Secondo la presente soluzione viene pertanto fornito un giroscopio microelettromeccanico, come definito nelle rivendicazioni allegate. According to the present solution, a microelectromechanical gyroscope is therefore provided, as defined in the attached claims.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali: For a better understanding of the present invention, a preferred embodiment is now described, purely by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings, in which:
- la Figura 1 ? una rappresentazione schematica relativa ad una porzione di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in presenza di una deformazione di un relativo substrato; - Figure 1? a schematic representation relating to a portion of a sensing structure of a MEMS gyroscope, in the presence of a deformation of a related substrate;
- la Figura 2A ? una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una prima forma di realizzazione della presente soluzione; - Figure 2A? a schematic plan view of a sensing structure of a MEMS gyroscope, in accordance with a first embodiment of the present solution;
- la Figura 2B ? una vista prospettica dall?alto della struttura di rilevamento di Figura 2A; - Figure 2B? a perspective view from above of the detection structure of Figure 2A;
- la Figura 3 ? una vista schematica in sezione di una struttura di ancoraggio del giroscopio MEMS di Figura 2A e 2B; - Figure 3? a schematic sectional view of a MEMS gyroscope docking structure of Figure 2A and 2B;
- la Figura 4 ? una vista schematica in sezione della struttura di ancoraggio di Figura 3, in presenza di una deformazione di un relativo substrato; - Figure 4? a schematic sectional view of the anchoring structure of Figure 3, in the presence of a deformation of a relevant substrate;
- la Figura 5 ? una vista in pianta schematica di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente soluzione; - Figure 5? a schematic plan view of a sensing structure of a MEMS gyroscope, in accordance with a second embodiment of the present solution;
- la Figura 6 ? una vista in pianta schematica di una porzione di una struttura di rilevamento di un giroscopio MEMS, in accordo con una ulteriore forma di realizzazione della presente soluzione; e - Figure 6? a schematic plan view of a portion of a sensing structure of a MEMS gyroscope, in accordance with a further embodiment of the present solution; And
- la Figura 7 ? un diagramma a blocchi di massima di un apparecchio elettronico incorporante un dispositivo sensore MEMS secondo un ulteriore aspetto della presente soluzione. - Figure 7? a general block diagram of an electronic apparatus incorporating a MEMS sensor device according to a further aspect of the present solution.
Come sar? descritto in dettaglio nel seguito, un aspetto della presente soluzione prevede di realizzare la struttura di rilevamento del giroscopio MEMS in modo tale che la massa mobile (rotore) e gli elettrodi fissi (elementi di statore), capacitivamente accoppiati alla massa mobile per definire almeno un condensatore di rilevamento, siano accoppiati meccanicamente al substrato mediante una singola ed unica (o monolitica) struttura di ancoraggio meccanico in comune (accoppiata solidalmente al substrato stesso); in questo modo, eventuali deformazioni indotte dal package nel substrato si riflettono in maniera equivalente sulla massa mobile e sugli elementi di statore, rendendo il rilevamento di fatto insensibile alle deformazioni, cos? da evitare eventuali modifiche del segnale di uscita a riposo fornito dallo stesso giroscopio MEMS (il cosiddetto drift del livello ZRL). What will it be like? described in detail below, one aspect of the present solution involves creating the sensing structure of the MEMS gyroscope in such a way that the moving mass (rotor) and the fixed electrodes (stator elements), capacitively coupled to the moving mass to define at least a detection capacitor, are mechanically coupled to the substrate via a single and unique (or monolithic) common mechanical anchoring structure (solidly coupled to the substrate itself); in this way, any deformations induced by the package in the substrate are reflected in an equivalent manner on the mobile mass and on the stator elements, making the detection effectively insensitive to deformations, thus? to avoid any changes in the idle output signal provided by the MEMS gyroscope itself (the so-called ZRL level drift).
Viene conseguentemente operata una distinzione tra ancoraggi meccanici ed ancoraggi elettrici di almeno alcuni degli elementi strutturali definenti la struttura di rilevamento, in particolare degli elementi di statore, introducendo appositi ancoraggi elettrici, distinti dagli ancoraggi meccanici, per la polarizzazione degli stessi elementi di statore e per il rilevamento del segnale di variazione capacitiva; come sar? descritto in seguito, tali ancoraggi elettrici sono accoppiati elettricamente alla singola struttura di ancoraggio meccanico, in modo da definire un percorso elettrico di polarizzazione e rilevamento del segnale di variazione capacitiva, rappresentando al contempo un accoppiamento meccanico del tutto trascurabile. A distinction is consequently made between mechanical anchoring and electrical anchoring of at least some of the structural elements defining the detection structure, in particular of the stator elements, by introducing special electrical anchoring, distinct from the mechanical anchoring, for the polarization of the stator elements themselves and for the detection of the capacitive variation signal; what will it be like? described below, these electrical anchors are electrically coupled to the single mechanical anchoring structure, so as to define an electrical path of polarization and detection of the capacitive variation signal, while at the same time representing a completely negligible mechanical coupling.
Secondo un aspetto della presente soluzione, la struttura di rilevamento comprende due strati strutturali sovrapposti di materiale semiconduttore (in particolare di silicio epitassiale), tra loro indipendenti e che vengono lavorati opportunamente (in particolare, mediante attacchi a trincea e rimozione di strati sacrificali) per definire gli elementi strutturali della struttura di rilevamento, tra loro almeno in parte sovrapposti. According to one aspect of the present solution, the detection structure comprises two superimposed structural layers of semiconductor material (in particular of epitaxial silicon), independent of each other and which are suitably processed (in particular, by means of trench attacks and removal of sacrificial layers) to define the structural elements of the detection structure, at least partially overlapping each other.
Come sar? del resto descritto in dettaglio in seguito, in uno strato strutturale superiore viene definita almeno parte della massa mobile della struttura di rilevamento ed in uno strato strutturale inferiore, disposto al di sotto dello strato strutturale superiore (o interposto tra il substrato e lo stesso strato strutturale superiore), vengono definiti gli elementi di statore ed il raccordo degli stessi elementi di statore verso la singola struttura di ancoraggio, in particolare per l?accoppiamento meccanico solidale degli elementi di statore alla stessa singola struttura di ancoraggio. What will it be like? moreover described in detail below, at least part of the mobile mass of the detection structure is defined in an upper structural layer and in a lower structural layer, arranged below the upper structural layer (or interposed between the substrate and the same structural layer upper), the stator elements and the connection of the same stator elements towards the single anchoring structure are defined, in particular for the integral mechanical coupling of the stator elements to the same single anchoring structure.
La realizzazione della struttura di rilevamento tramite i suddetti strati strutturali sovrapposti pu? essere ad esempio eseguita mediante il procedimento di fabbricazione descritto in dettaglio nella domanda di brevetto EP 3 912 953 A1 a nome della stessa Richiedente. The creation of the detection structure through the aforementioned superimposed structural layers can? for example, be carried out using the manufacturing process described in detail in the patent application EP 3 912 953 A1 in the name of the same Applicant.
In sintesi, tale procedimento prevede la crescita, al di sopra di un substrato, ad esempio di silicio monocristallino, di un primo strato epitassiale, spesso, sovrapposto ad un primo strato sacrificale, di materiale dielettrico, che viene in seguito in parte rimosso mediante attacco chimico (ad esempio mediante vapori di acido fluoridrico). Il primo strato sacrificale presenta aperture in corrispondenza delle quali sono definite regioni di ancoraggio al substrato per il suddetto primo strato epitassiale. In summary, this process involves the growth, above a substrate, for example of monocrystalline silicon, of a first thick epitaxial layer, superimposed on a first sacrificial layer of dielectric material, which is then partly removed by etching chemical (for example through hydrofluoric acid vapours). The first sacrificial layer has openings at which anchoring regions to the substrate are defined for the aforementioned first epitaxial layer.
Il primo strato epitassiale costituisce un primo strato strutturale in cui vengono formate, ad esempio con attacco chimico secco (dry) del silicio, prime trincee (vuote, o successivamente riempite di materiale dielettrico), che definiscono elementi strutturali della struttura di rilevamento o una parte inferiore (ovvero, pi? vicina al substrato) degli stessi elementi strutturali; regioni conduttive (definenti piazzole ed interconnessioni elettriche) sono formate al di sotto del primo strato sacrificale, in corrispondenza delle regioni di ancoraggio al substrato del suddetto primo strato epitassiale, al fine di consentire la polarizzazione elettrica dei suddetti elementi strutturali. The first epitaxial layer constitutes a first structural layer in which, for example with dry chemical etching of the silicon, first trenches (empty, or subsequently filled with dielectric material) are formed, which define structural elements of the detection structure or a part lower (i.e., closer to the substrate) of the same structural elements; conductive regions (defining pads and electrical interconnections) are formed below the first sacrificial layer, in correspondence with the regions anchoring the aforementioned first epitaxial layer to the substrate, in order to allow the electrical polarization of the aforementioned structural elements.
Successivamente, il procedimento di fabbricazione prevede la formazione di un secondo strato sacrificale, di materiale dielettrico, al di sopra del primo strato epitassiale e la definizione dello stesso secondo strato sacrificale per la formazione di regioni sacrificali separate reciprocamente da aperture. Subsequently, the manufacturing process provides for the formation of a second sacrificial layer, of dielectric material, above the first epitaxial layer and the definition of the same second sacrificial layer for the formation of sacrificial regions mutually separated by openings.
Viene quindi formato un secondo strato epitassiale, avente ad esempio uno spessore inferiore rispetto al primo strato epitassiale, sul primo strato epitassiale e sulle regioni sacrificali; il secondo strato epitassiale ? in contatto diretto con il primo strato epitassiale in corrispondenza delle suddette aperture e costituisce un secondo strato strutturale in cui vengono in parte definiti, mediante la formazione di seconde trincee, gli elementi strutturali della struttura di rilevamento o una parte superiore (ovvero, pi? distante dal substrato) degli stessi elementi strutturali. A second epitaxial layer, for example having a lower thickness than the first epitaxial layer, is then formed on the first epitaxial layer and on the sacrificial regions; the second epitaxial layer? in direct contact with the first epitaxial layer in correspondence with the aforementioned openings and constitutes a second structural layer in which the structural elements of the detection structure or an upper part (i.e., more distant from the substrate) of the same structural elements.
Il procedimento prevede quindi la rimozione, parziale o completa delle regioni sacrificali, nuovamente mediante attacco chimico (ad esempio mediante vapori di acido fluoridrico), in modo da rilasciare, almeno in parte, gli elementi strutturali della struttura di rilevamento. The process therefore involves the partial or complete removal of the sacrificial regions, again by chemical attack (for example by means of hydrofluoric acid vapors), so as to release, at least in part, the structural elements of the detection structure.
Si noti che, in seguito all?attacco, regioni del secondo strato epitassiale possono: essere direttamente a contatto (meccanico ed elettrico) con sottostanti regioni del primo strato epitassiale ed eventualmente a contatto del sottostante substrato; essere separate da una regione vuota (gap) dal sottostante primo strato epitassiale in modo da essere sospese al di sopra dello stesso primo strato epitassiale; oppure essere accoppiate allo (ed elettricamente isolate dallo) stesso primo strato epitassiale mediante regioni dielettriche rimanenti dall?attacco del secondo strato sacrificale. Note that, following etching, regions of the second epitaxial layer can: be in direct contact (mechanical and electrical) with underlying regions of the first epitaxial layer and possibly in contact with the underlying substrate; be separated by an empty region (gap) from the underlying first epitaxial layer so as to be suspended above the first epitaxial layer itself; or be coupled to (and electrically isolated from) the first epitaxial layer itself via dielectric regions remaining from the attachment of the second sacrificial layer.
Con riferimento alla vista in pianta di Figura 2A, alla vista prospettica di Figura 2B ed alla vista in sezione di dettaglio di Figura 3, viene ora descritta una prima forma di realizzazione della presente soluzione, relativa ad un giroscopio microelettromeccanico (MEMS) 10 di tipo uniassiale, per il rilevamento di una velocit? angolare ?x intorno ad un primo asse x di un piano orizzontale xy. With reference to the plan view of Figure 2A, the perspective view of Figure 2B and the detailed sectional view of Figure 3, a first embodiment of the present solution is now described, relating to a microelectromechanical gyroscope (MEMS) 10 of type uniaxial, for detecting a speed? angular ?x around a first x axis of a horizontal plane xy.
La struttura di rilevamento, indicata in generale con 11, del giroscopio MEMS 10 ha un centro O ed una disposizione simmetrica nel piano orizzontale xy, rispetto al primo e ad un secondo asse orizzontale x, y. The sensing structure, generally indicated with 11, of the MEMS gyroscope 10 has a center O and a symmetrical arrangement in the xy horizontal plane, with respect to the first and a second horizontal x, y axis.
La struttura di rilevamento 11 comprende una massa mobile (o di rotore) 12, disposta sospesa al di sopra di un substrato 14 di materiale semiconduttore, in particolare silicio, avente una superficie superiore 14a; a riposo, la massa mobile 12 presenta estensione principale in un piano orizzontale xy ed ? disposta parallela alla superficie superiore 14a del substrato 14. The detection structure 11 comprises a mobile (or rotor) mass 12, arranged suspended above a substrate 14 of semiconductor material, in particular silicon, having an upper surface 14a; at rest, the mobile mass 12 has a main extension in a horizontal plane xy and ? arranged parallel to the upper surface 14a of the substrate 14.
La massa mobile 12 ha una cornice 15, nell?esempio sostanzialmente rettangolare nel piano orizzontale xy, che definisce internamente una finestra 16; la stessa massa mobile 12 comprende inoltre una prima ed una seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, che si estendono internamente alla finestra 16 a partire dalla cornice 15, sospese a sbalzo rispetto al substrato 14, aventi nell?esempio una forma sostanzialmente trapezoidale, con lati obliqui estendentisi radialmente verso il centro O. The mobile mass 12 has a frame 15, in the example substantially rectangular in the xy horizontal plane, which internally defines a window 16; the same mobile mass 12 also includes a first and a second detection portion 12a, 12b, which extend inside the window 16 starting from the frame 15, suspended cantilevered with respect to the substrate 14, having in the example a substantially trapezoidal shape, with oblique sides extending radially towards the W centre.
La massa mobile 12 ? accoppiata elasticamente ad una singola struttura di ancoraggio 20 (che verr? descritta in maggiore dettaglio in seguito), disposta centralmente alla finestra 16 e solidale al substrato 14, mediante elementi elastici di ancoraggio 18, aventi estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno allo stesso secondo asse orizzontale y. The mobile mass 12 ? elastically coupled to a single anchoring structure 20 (which will be described in greater detail below), arranged centrally to the window 16 and integral with the substrate 14, by means of elastic anchoring elements 18, having linear extension along the second horizontal axis y and yielding to bending in the xy horizontal plane and torsion around the same second horizontal y axis.
La cornice 15 della massa mobile 12 ? realizzata dalla sovrapposizione dei succitati primo e secondo strato strutturale, indicati con L1 e L2 in Figura 3, mentre la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b sono realizzate nel solo secondo strato strutturale L2 (disposto a maggiore distanza rispetto alla superficie superiore 14a del substrato 14). The frame 15 of the mobile mass 12? created by the superposition of the aforementioned first and second structural layers, indicated with L1 and L2 in Figure 3, while the first and second detection portions 12a, 12b are created in the second structural layer L2 only (arranged at a greater distance with respect to the upper surface 14a of the substrate 14).
In particolare, la cornice 15 presenta, in corrispondenza dell?accoppiamento con la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, al di sotto delle stesse, una parete 17 sostanzialmente verticale con estensione ortogonale al piano orizzontale xy (lungo l?asse verticale z); tale parete 17 ha, nel piano orizzontale xy, una sezione conformata ad arco di cerchio (come indicato dalla linea tratteggiata in Figura 2A). In particular, the frame 15 presents, in correspondence with the coupling with the first and second detection portions 12a, 12b, underneath them, a substantially vertical wall 17 with an extension orthogonal to the horizontal plane xy (along the vertical axis z); this wall 17 has, in the xy horizontal plane, a section shaped like a circular arc (as indicated by the dotted line in Figure 2A).
La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre una prima ed una seconda massa di azionamento 22a, 22b, disposte da parti opposte della cornice 15 della massa mobile 12 rispetto al primo asse orizzontale x, esternamente rispetto alla stessa cornice 15. The detection structure 11 also includes a first and a second drive mass 22a, 22b, arranged on opposite sides of the frame 15 of the mobile mass 12 with respect to the first horizontal axis x, externally with respect to the same frame 15.
Tali masse di azionamento 22a, 22b definiscono una cornice a cui sono accoppiati, internamente, primi elettrodi di azionamento 23, in configurazione interdigitata a secondi elettrodi di azionamento 24, fissi e solidali al substrato. Le suddette masse di azionamento 22a, 22b sono accoppiate elasticamente ad ancoraggi 25, solidali al substrato 14 mediante elementi elastici ripiegati (folded) 26, che ne consentono il movimento di azionamento, nell?esempio di traslazione lineare in versi opposti lungo il primo asse orizzontale x, in seguito alla polarizzazione dei suddetti primi e secondi elettrodi di azionamento 23, 24. These drive masses 22a, 22b define a frame to which first drive electrodes 23 are internally coupled, in a configuration interdigitated with second drive electrodes 24, fixed and integral with the substrate. The aforementioned drive masses 22a, 22b are elastically coupled to anchors 25, integral with the substrate 14 by means of folded elastic elements 26, which allow the drive movement, in the example of linear translation in opposite directions along the first horizontal axis x, following the polarization of the aforementioned first and second driving electrodes 23, 24.
Le stesse masse di azionamento 22a, 22b sono accoppiate alla cornice 15 della massa mobile 12, da parti opposte rispetto al primo asse orizzontale x, mediante elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b, aventi nell?esempio estensione lineare lungo il secondo asse orizzontale y e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno al secondo asse orizzontale y. The same actuation masses 22a, 22b are coupled to the frame 15 of the mobile mass 12, on opposite sides with respect to the first horizontal axis x, by means of elastic coupling elements 27a, 27b, having in the example linear extension along the second horizontal axis y and yielding to bending in the xy horizontal plane and to torsion around the second horizontal y axis.
La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre un primo ed un secondo elemento di statore 28a, 28b, disposti all?interno della finestra 16, da parti opposte rispetto al secondo asse orizzontale y, in configurazione sospesa al di sopra del substrato 14 ed al di sotto della massa inerziale 12, essendo formati nel primo strato strutturale L1. The detection structure 11 also includes a first and a second stator element 28a, 28b, arranged inside the window 16, on opposite sides with respect to the second horizontal axis y, in a suspended configuration above the substrate 14 and below of the inertial mass 12, being formed in the first structural layer L1.
In particolare, ciascun elemento di statore 28a, 28b comprende una rispettiva porzione di rilevamento 29a, 29b disposta sospesa al di sopra della superficie superiore 14a del substrato 14, affacciata al di sotto di una rispettiva porzione di rilevamento 12a, 12b della massa mobile 12, in modo da formare un rispettivo condensatore di rilevamento, a facce piane e parallele. In particular, each stator element 28a, 28b includes a respective sensing portion 29a, 29b arranged suspended above the upper surface 14a of the substrate 14, facing below a respective sensing portion 12a, 12b of the mobile mass 12, so as to form a respective detection capacitor, with flat and parallel faces.
Ciascuna porzione di rilevamento 29a, 29b ha una forma sostanzialmente corrispondente alla sovrastante rispettiva porzione di rilevamento 12a, 12b della massa mobile 12, nell?esempio sostanzialmente trapezoidale, con base maggiore avente una conformazione ad arco di circonferenza nel piano orizzontale xy, in modo tale da corrispondere alla affacciata parete 17 della cornice 15 della massa mobile 12 (al livello del primo strato strutturale L1). Each sensing portion 29a, 29b has a shape substantially corresponding to the overlying respective sensing portion 12a, 12b of the mobile mass 12, in the example substantially trapezoidal, with a major base having a circumferential arc conformation in the xy horizontal plane, in such a way to correspond to the facing wall 17 of the frame 15 of the mobile mass 12 (at the level of the first structural layer L1).
Ciascun elemento di statore 28a, 28b comprende inoltre una rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b, interposta, nel piano orizzontale xy, tra la rispettiva porzione di rilevamento 29a, 29b e la singola struttura di ancoraggio 20 ed accoppiata solidalmente alla stessa singola struttura di ancoraggio 20. In particolare, tali porzioni di raccordo 30a, 30b sono separate nel piano orizzontale xy dalla singola struttura di ancoraggio 20 da una trincea di separazione 31. Each stator element 28a, 28b also includes a respective connection portion 30a, 30b, interposed, in the xy horizontal plane, between the respective sensing portion 29a, 29b and the single anchoring structure 20 and coupled solidly to the same single anchoring structure 20. In particular, these connection portions 30a, 30b are separated in the xy horizontal plane from the single anchoring structure 20 by a separation trench 31.
In maggiore dettaglio, nella forma di realizzazione illustrata, come mostrato anche in Figura 3, la suddetta rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b ? accoppiata ad una sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20 (realizzata nel secondo strato strutturale L2) mediante una rispettiva regione dielettrica 32, in particolare di ossido di silicio, che, oltre a definire l?accoppiamento meccanico, costituisce un isolamento elettrico tra gli elementi di statore 28a, 28b e la massa mobile 12 (rotore). Tale regione dielettrica 32 risulta quindi interposta a contatto tra superfici affacciate delle suddette porzioni di raccordo 30a, 30b degli elementi di statore 28a, 28b e della sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20. In greater detail, in the illustrated embodiment, as also shown in Figure 3, the aforementioned respective connection portion 30a, 30b is coupled to an overlying upper portion 20a of the single anchoring structure 20 (made in the second structural layer L2) by means of a respective dielectric region 32, in particular of silicon oxide, which, in addition to defining the mechanical coupling, constitutes electrical insulation between the stator elements 28a, 28b and the moving mass 12 (rotor). This dielectric region 32 is therefore placed in contact between facing surfaces of the aforementioned connection portions 30a, 30b of the stator elements 28a, 28b and of the overlying upper portion 20a of the single anchoring structure 20.
La singola struttura di ancoraggio 20 comprende inoltre una porzione inferiore 20b, realizzata nel primo strato strutturale L1, accoppiata solidalmente alla porzione superiore 20a ed inoltre accoppiata meccanicamente ed elettricamente ad una piazzola di collegamento o pista conduttiva di rotore R disposta sulla superficie superiore 14a del substrato 14. The single anchoring structure 20 also includes a lower portion 20b, made in the first structural layer L1, coupled integrally to the upper portion 20a and furthermore mechanically and electrically coupled to a connection pad or conductive rotor track R arranged on the upper surface 14a of the substrate 14.
Come mostrato schematicamente nella stessa Figura 3, ciascuna porzione di raccordo 30a, 30b ? inoltre accoppiata a rispettivi ancoraggi elettrici 34, distinti e separati rispetto alla singola struttura di ancoraggio 20, attraverso rispettivi elementi elettrici di collegamento (o ?fili elettrici?) 35. As shown schematically in the same Figure 3, each connection portion 30a, 30b? furthermore coupled to respective electrical anchors 34, distinct and separate from the single anchoring structure 20, through respective electrical connection elements (or "electric wires?) 35.
In dettaglio (si veda ad esempio la Figura 2A), tali elementi elettrici di collegamento 35 sono costituiti da porzioni sottili e lunghe, ripiegate a serpentina (folded), nell?esempio realizzate nel secondo strato strutturale L2, configurate in modo tale da costituire un accoppiamento meccanico del tutto trascurabile tra la rispettiva porzione di raccordo 30a, 30b e gli ancoraggi elettrici 34. In detail (see for example Figure 2A), these electrical connection elements 35 are made up of thin and long portions, folded like a serpentine, in the example made in the second structural layer L2, configured in such a way as to constitute a completely negligible mechanical coupling between the respective connection portion 30a, 30b and the electrical anchors 34.
Nella forma di realizzazione illustrata, tali elementi elettrici di collegamento 35 presentano una prima estremit? accoppiata solidalmente meccanicamente ed elettricamente alla sottostante porzione di raccordo 30a, 30b ed una seconda estremit? collegata ad un rispettivo ancoraggio elettrico 34. Inoltre, per ciascuna porzione di raccordo 30a, 30b sono presenti due ancoraggi elettrici 34 (e rispettivi elementi elettrici di collegamento 35), disposti da parte opposta rispetto al primo asse orizzontale x, in prossimit? della singola struttura di ancoraggio 20. In the illustrated embodiment, these electrical connection elements 35 have a first end coupled mechanically and electrically solidly to the underlying connection portion 30a, 30b and a second end? connected to a respective electrical anchor 34. Furthermore, for each connection portion 30a, 30b there are two electrical anchors 34 (and respective electrical connection elements 35), arranged on the opposite side with respect to the first horizontal axis of the single anchoring structure 20.
In particolare, gli ancoraggi elettrici 34 attraversano in tal caso verticalmente la porzione di raccordo 30a, 30b del rispettivo elemento di statore 28a, 28b, da cui sono separati da una trincea di separazione 37. In particular, the electrical anchors 34 in this case cross vertically the connection portion 30a, 30b of the respective stator element 28a, 28b, from which they are separated by a separation trench 37.
Gli ancoraggi elettrici 34 sono costituiti da porzioni del primo strato strutturale L1 (e, nel presente caso, del secondo strato strutturale L2), che sono collegate direttamente (mediante una porzione di raccordo di silicio epitassiale) ad una rispettiva sottostante piazzola o pista conduttiva di collegamento di statore (indicata con S1, S2 in Figura 3) disposta sulla superficie superiore 14a del substrato 14. The electrical anchors 34 are made up of portions of the first structural layer L1 (and, in the present case, of the second structural layer L2), which are connected directly (by means of an epitaxial silicon connection portion) to a respective underlying conductive pad or track. stator connection (indicated by S1, S2 in Figure 3) arranged on the upper surface 14a of the substrate 14.
In sostanza, nella struttura di rilevamento 11 si definiscono cos? separati e distinti percorsi conduttivi per la polarizzazione elettrica ed il rilevamento del segnale di variazione capacitiva ed in particolare: un primo ed un secondo percorso conduttivo per il collegamento elettrico del primo e del secondo elemento di statore 28a, 28b, che comprendono i suddetti ancoraggi elettrici 34 e la rispettiva piazzola di collegamento di statore S1, S2, i rispettivi elementi elettrici di collegamento 35 e la porzione di raccordo 30a, 30b degli stessi elementi di statore 28a, 28b; ed un terzo percorso conduttivo per il collegamento elettrico della massa mobile 12, che comprende la singola struttura di ancoraggio 20 e la relativa piazzola di collegamento di rotore R e gli elementi elastici di ancoraggio 18. In essence, in the detection structure 11 they are defined as follows? separate and distinct conductive paths for the electrical polarization and detection of the capacitive variation signal and in particular: a first and a second conductive path for the electrical connection of the first and second stator elements 28a, 28b, which include the aforementioned electrical anchors 34 and the respective stator connection pad S1, S2, the respective electrical connection elements 35 and the connection portion 30a, 30b of the same stator elements 28a, 28b; and a third conductive path for the electrical connection of the mobile mass 12, which includes the single anchoring structure 20 and the related rotor connection pad R and the elastic anchoring elements 18.
In uso, il movimento di azionamento delle strutture di azionamento 22a, 22b lungo il primo asse orizzontale x (in versi opposti) trascina in rotazione la massa mobile 12 intorno all?asse verticale z (ed al centro O); in particolare, tali movimenti di azionamento sono consentiti dalla deformazione per flessione nel piano orizzontale xy degli elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b e degli elementi elastici di ancoraggio 18. In use, the driving movement of the driving structures 22a, 22b along the first horizontal axis x (in opposite directions) rotates the mobile mass 12 around the vertical axis z (and to the center O); in particular, these actuating movements are allowed by the bending deformation in the xy horizontal plane of the elastic coupling elements 27a, 27b and the elastic anchoring elements 18.
In presenza della velocit? angolare ?x intorno al primo asse orizzontale x, la massa mobile 12 subisce inoltre, per l?effetto di Coriolis, la rotazione intorno al secondo asse orizzontale y, causando un suo spostamento al di fuori del piano orizzontale xy ed una conseguente variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento formati tra la stessa massa mobile 12 e gli elementi di statore 28a, 28b; in particolare, tale movimento di rilevamento ? consentito dalla deformazione per torsione degli elementi elastici di ancoraggio 18. In the presence of speed? angular ?x around the first horizontal axis detection capacitors formed between the mobile mass 12 itself and the stator elements 28a, 28b; in particular, this detection movement ? permitted by the torsional deformation of the elastic anchoring elements 18.
Vantaggiosamente, la presenza della singola struttura di ancoraggio 20 consente sostanzialmente di eliminare gli spostamenti relativi tra rotore e statore per effetto di stress o stimoli esterni. Advantageously, the presence of the single anchoring structure 20 substantially allows the relative displacements between rotor and stator to be eliminated due to stress or external stimuli.
In particolare, come mostrato schematicamente nella Figura 4, anche in presenza di deformazioni del substrato 14, ad esempio dovute ad uno stress termico associato ad un gradiente di temperatura positivo, e delle conseguenti deformazioni della superficie superiore 14a dello stesso substrato 14, non si verifica sostanzialmente alcun movimento relativo tra la massa mobile 12 e gli elementi di statore 28a, 28b nella condizione di riposo, in assenza di velocit? angolare esterna (in altre parole, non vi ? variazione della distanza di affaccio a riposo). I suddetti elementi di statore 28a-28b e la massa mobile 12 sono infatti forzati a muoversi insieme, in maniera solidale, in virt? dell?accoppiamento solidale alla singola struttura di ancoraggio 20. Di conseguenza, vantaggiosamente, non si verifica alcuna modifica indesiderata del segnale di uscita a riposo fornito dal giroscopio microelettromeccanico 10, non verificandosi in sostanza alcun cambiamento dello ?zerog level?. In particular, as shown schematically in Figure 4, even in the presence of deformations of the substrate 14, for example due to a thermal stress associated with a positive temperature gradient, and the consequent deformations of the upper surface 14a of the same substrate 14, there is no substantially no relative movement between the mobile mass 12 and the stator elements 28a, 28b in the rest condition, in the absence of speed? external angular (in other words, there is no variation in the facing distance at rest). The aforementioned stator elements 28a-28b and the mobile mass 12 are in fact forced to move together, integrally, by virtue of of the coupling integral with the single anchoring structure 20. Consequently, advantageously, no unwanted modification of the resting output signal provided by the microelectromechanical gyroscope 10 occurs, essentially no change in the "zerog level".
Si sottolinea inoltre che eventuali deformazioni del substrato 14 in corrispondenza degli ancoraggi elettrici 34 (rispetto alla posizione della suddetta singola struttura di ancoraggio 20) sono assorbite elasticamente, in maniera completa, dagli elementi elettrici di collegamento 35, senza dunque interessare la stessa singola struttura di ancoraggio 20 e nuovamente senza causare variazioni indesiderate del segnale di rilevamento fornito in uscita dal giroscopio MEMS 10. It should also be underlined that any deformations of the substrate 14 in correspondence with the electrical anchors 34 (with respect to the position of the aforementioned single anchoring structure 20) are elastically absorbed, completely, by the electrical connection elements 35, without therefore affecting the single anchoring structure itself. anchoring 20 and again without causing unwanted variations in the detection signal provided at the output of the MEMS gyroscope 10.
Con riferimento alla vista in pianta di Figura 5, viene ora descritta una seconda forma di realizzazione della presente soluzione, relativa ad un giroscopio MEMS, nuovamente indicato con 10, di tipo biassiale, per il rilevamento della velocit? angolare ?x intorno al primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy ed inoltre di una ulteriore velocit? angolare ?y intorno al secondo asse orizzontale y dello stesso piano orizzontale xy. With reference to the plan view of Figure 5, a second embodiment of the present solution is now described, relating to a MEMS gyroscope, again indicated with 10, of biaxial type, for speed detection. angular ?x around the first horizontal axis x of the xy horizontal plane and also of a further speed? angular ?y around the second horizontal axis y of the same horizontal plane xy.
Come risulter? evidente dall?esame della suddetta Figura 5, la configurazione della struttura di rilevamento 11 ? sostanzialmente equivalente a quella descritta in precedenza per la prima forma di realizzazione uniassiale. How will it turn out? evident from the examination of the aforementioned Figure 5, the configuration of the detection structure 11 is substantially equivalent to that previously described for the first uniaxial embodiment.
In questo caso, la massa mobile 12 comprende inoltre una terza ed una quarta porzione di rilevamento 12c, 12d, che si estendono a partire dalla cornice 15 internamente alla finestra 16, sospese a sbalzo rispetto al substrato 14, aventi in questo caso una forma sostanzialmente ad arco di circonferenza nel piano orizzontale xy (cos? come la prima e la seconda porzione di rilevamento 12a, 12b, aventi anch?esse la stessa forma ad arco di circonferenza). In this case, the mobile mass 12 also includes a third and a fourth detection portion 12c, 12d, which extend starting from the frame 15 inside the window 16, suspended cantilevered with respect to the substrate 14, having in this case a substantially circular arc in the xy horizontal plane (as well as the first and second detection portions 12a, 12b, also having the same circular arc shape).
La massa mobile 12 ? in questo caso accoppiata elasticamente alla singola struttura di ancoraggio 20 mediante ulteriori elementi elastici di ancoraggio 18, aventi estensione lineare lungo il primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy e cedevoli a flessione nel piano orizzontale xy e a torsione intorno allo stesso primo asse orizzontale x. Si noti che in questa forma di realizzazione, gli elementi elastici di ancoraggio 18 si estendono a partire da una rispettiva porzione di rilevamento 12a-12d verso la singola struttura di ancoraggio 20. The mobile mass 12 ? in this case elastically coupled to the single anchoring structure 20 by means of further elastic anchoring elements 18, having linear extension along the first horizontal axis x of the horizontal xy plane and yielding to bending in the horizontal xy plane and to torsion around the same first horizontal axis x. Note that in this embodiment, the elastic anchoring elements 18 extend starting from a respective sensing portion 12a-12d towards the single anchoring structure 20.
La struttura di rilevamento 11 comprende inoltre un terzo ed un quarto elemento di statore 28c, 28d, disposti all?interno della finestra 16, da parti opposte rispetto al primo asse orizzontale x, in configurazione sospesa al di sopra del substrato 14 ed al di sotto della massa inerziale 12, essendo nuovamente formati nel primo strato strutturale L1. The detection structure 11 further includes a third and a fourth stator element 28c, 28d, arranged inside the window 16, on opposite sides with respect to the first horizontal axis x, in a suspended configuration above the substrate 14 and below of the inertial mass 12, being formed again in the first structural layer L1.
In particolare, ciascun elemento di statore 28c, 28d comprende anche in questo caso una rispettiva porzione di rilevamento 29c, 29d disposta sospesa al di sopra della superficie superiore 14a del substrato 14, affacciata al di sotto di una rispettiva porzione di rilevamento 12c, 12d della massa mobile 12, in modo da formare un rispettivo condensatore di rilevamento, a facce piane e parallele. In particular, each stator element 28c, 28d also in this case includes a respective sensing portion 29c, 29d arranged suspended above the upper surface 14a of the substrate 14, facing below a respective sensing portion 12c, 12d of the mobile mass 12, so as to form a respective detection capacitor, with flat and parallel faces.
Ciascun ulteriore elemento di statore 28c, 28d comprende anche in questo caso una rispettiva porzione di raccordo 30c, 30d, interposta, nel piano orizzontale xy, tra la rispettiva porzione di rilevamento 29c, 29d e la singola struttura di ancoraggio 20, ed accoppiata solidalmente alla stessa singola struttura di ancoraggio 20. Each further stator element 28c, 28d also includes in this case a respective connection portion 30c, 30d, interposed, in the xy horizontal plane, between the respective sensing portion 29c, 29d and the single anchoring structure 20, and coupled solidly to the same single anchoring structure 20.
In analogia a quanto discusso in precedenza, ciascuna porzione di raccordo 30c, 30d ? accoppiata ad una sovrastante porzione superiore 20a della singola struttura di ancoraggio 20 (realizzata nel secondo strato strutturale L2) mediante una regione dielettrica 32, in particolare di ossido di silicio. In analogy to what was previously discussed, each connection portion 30c, 30d? coupled to an overlying upper portion 20a of the single anchoring structure 20 (made in the second structural layer L2) by means of a dielectric region 32, in particular of silicon oxide.
Come descritto in precedenza, ciascuna porzione di raccordo 30c, 30d ? inoltre accoppiata a rispettivi ancoraggi elettrici 34, distinti e separati rispetto alla singola struttura di ancoraggio 20, attraverso rispettivi elementi elettrici di collegamento 35. Nuovamente, tali elementi elettrici di collegamento 35 presentano una prima estremit? accoppiata solidalmente meccanicamente ed elettricamente alla sottostante porzione di raccordo 30c, 30d ed una seconda estremit? collegata ad un rispettivo ancoraggio elettrico 34, essendo realizzati nel secondo strato strutturale L2. As described above, each connection portion 30c, 30d ? furthermore coupled to respective electrical anchors 34, distinct and separate from the single anchoring structure 20, through respective electrical connection elements 35. Again, these electrical connection elements 35 have a first end? coupled mechanically and electrically solidly to the underlying connection portion 30c, 30d and a second end? connected to a respective electrical anchor 34, being made in the second structural layer L2.
Si noti che in questa forma di realizzazione le porzioni di raccordo 30a-30d dei rispettivi elementi di statore 28a-28d sono attraversate nel piano orizzontale xy dagli elementi elastici di ancoraggio 18. Note that in this embodiment the connection portions 30a-30d of the respective stator elements 28a-28d are crossed in the xy horizontal plane by the elastic anchoring elements 18.
In particolare, in questa forma di realizzazione, sono presenti quattro regioni dielettriche 32, disposte ai vertici della singola struttura di ancoraggio 20 (in questo caso avente sezione sostanzialmente quadrata nel piano orizzontale xy), ciascuna regione dielettrica 32 accoppiando solidalmente due porzioni di raccordo 30a-30d di adiacenti elementi di statore 28a-28d alla porzione superiore 20a della stessa singola struttura di ancoraggio 20. In particular, in this embodiment, there are four dielectric regions 32, arranged at the vertices of the single anchoring structure 20 (in this case having a substantially square section in the xy horizontal plane), each dielectric region 32 solidly coupling two connection portions 30a -30d of adjacent stator elements 28a-28d to the upper portion 20a of the same single anchoring structure 20.
Inoltre, in questa seconda forma di realizzazione, gli elementi elastici di accoppiamento 27a, 27b che accoppiano elasticamente le masse di azionamento 22a, 22b alla massa mobile 12 hanno una conformazione ripiegata (?folded?), in modo da consentire la rotazione della massa mobile 12 non solo intorno al secondo asse orizzontale y ma anche intorno al primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy. Furthermore, in this second embodiment, the elastic coupling elements 27a, 27b which elastically couple the drive masses 22a, 22b to the mobile mass 12 have a folded conformation, so as to allow the rotation of the mobile mass 12 not only around the second horizontal y axis but also around the first horizontal x axis of the xy horizontal plane.
Il funzionamento della struttura di rilevamento 11 non varia in maniera sostanziale rispetto a quanto descritto in precedenza, se non per il fatto che la massa mobile 12, in presenza della velocit? angolare ?y intorno al secondo asse orizzontale y, subisce inoltre, per l?effetto di Coriolis, la rotazione intorno al primo asse orizzontale x, causando una variazione capacitiva differenziale dei condensatori di rilevamento formati tra la stessa massa mobile 12 e gli ulteriori elementi di statore 28c, 28d; in particolare, tale movimento di rilevamento ? consentito dalla deformazione per torsione degli ulteriori elementi elastici di ancoraggio 18. Vantaggiosamente, i movimenti di rilevamento della massa mobile per effetto delle velocit? angolari ?x intorno al primo asse orizzontale x e ?y intorno al secondo asse orizzontale y risultano sostanzialmente disaccoppiati. The operation of the detection structure 11 does not vary substantially compared to what was previously described, except for the fact that the mobile mass 12, in the presence of the speed angular mass ?y around the second horizontal axis y, also undergoes, due to the Coriolis effect, rotation around the first horizontal axis x, causing a differential capacitive variation of the detection capacitors formed between the mobile mass 12 itself and the further stator 28c, 28d; in particular, this detection movement ? permitted by the torsional deformation of the additional elastic anchoring elements 18. Advantageously, the sensing movements of the mobile mass due to the speed effect? angles ?x around the first horizontal x axis and ?y around the second horizontal y axis are substantially decoupled.
Una ulteriore variante realizzativa, che viene illustrata schematicamente in Figura 6, prevede una differente forma, nel piano orizzontale xy, delle superfici affacciate della cornice 15 della massa mobile 12 e degli elementi di statore 28a, 28b (quanto descritto si pu? evidentemente applicare analogamente agli elementi di statore 28c, 28d), in particolare delle relative porzioni di rilevamento 29a, 29b. A further embodiment variant, which is illustrated schematically in Figure 6, provides a different shape, in the xy horizontal plane, of the facing surfaces of the frame 15 of the mobile mass 12 and of the stator elements 28a, 28b (what has been described can obviously be applied similarly to the stator elements 28c, 28d), in particular of the relative detection portions 29a, 29b.
In questa forma di realizzazione, tali superfici affacciate hanno, nel piano orizzontale xy, una forma di un poligono regolare, anzich? ad arco di circonferenza. In this embodiment, these facing surfaces have, in the xy horizontal plane, the shape of a regular polygon, rather than? circular arc.
Nell?esempio mostrato nella suddetta Figura 6, gli elementi di statore 28a, 28b definiscono congiuntamente, nel piano orizzontale xy, un esagono regolare. In maniera corrispondente, anche la cornice 15 presente internamente una superficie affacciata ai suddetti elementi di statore 28a, 28b avente una forma complessivamente esagonale nel piano orizzontale xy. In the example shown in the aforementioned Figure 6, the stator elements 28a, 28b jointly define, in the xy horizontal plane, a regular hexagon. Correspondingly, the frame 15 also internally has a surface facing the aforementioned stator elements 28a, 28b having an overall hexagonal shape in the xy horizontal plane.
Il principio di funzionamento della struttura di rilevamento 11 non varia in questa forma di realizzazione rispetto a quanto precedentemente riportato. Tuttavia, pu? essere richiesta una progettazione dimensionale opportuna, al fine di evitare un possibile impatto tra le suddette superficie affacciate durante il movimento di azionamento della massa mobile 12. The operating principle of the detection structure 11 does not vary in this embodiment compared to what was previously reported. However, can it? an appropriate dimensional design may be required, in order to avoid a possible impact between the aforementioned facing surfaces during the actuation movement of the mobile mass 12.
Ad esempio, nel suddetto caso esagonale, la presente Richiedente ha verificato che, nel caso in cui sia soddisfatta la relazione seguente tra lati affacciati LR e LS rispettivamente della suddetta cornice 15 della massa mobile 12 e dei suddetti elementi di statore 28a, 28b: For example, in the aforementioned hexagonal case, the present Applicant has verified that, in the case in which the following relationship between facing sides LR and LS respectively of the aforementioned frame 15 of the mobile mass 12 and of the aforementioned stator elements 28a, 28b is satisfied:
l?angolo di rotazione di azionamento della massa mobile 12 intorno all?asse verticale z deve essere minore o uguale di 30?, al fine di evitare i suddetti impatti tra le superfici affacciate. the operating rotation angle of the mobile mass 12 around the vertical axis z must be less than or equal to 30?, in order to avoid the aforementioned impacts between the facing surfaces.
Ne consegue che la forma circolare nel piano orizzontale xy per le suddette superfici affacciate ? in ogni caso preferibile e vantaggiosa, dato che assicura in ogni condizione l?assenza di impatti tra le stesse superfici affacciate durante l?azionamento della massa mobile 12. It follows that the circular shape in the horizontal xy plane for the aforementioned facing surfaces is ? in any case preferable and advantageous, given that it ensures in all conditions the absence of impacts between the same facing surfaces during the operation of the mobile mass 12.
Tale forma circolare evita anche la presenza di eventuali modi comuni elettrici dovuti ad una variazione delle superfici di affaccio, variazione che potrebbe al contrario verificarsi nel caso di forme di realizzazione poligonali (in presenza di una non perfetta simmetria della struttura di rilevamento 11). This circular shape also avoids the presence of any electrical common modes due to a variation in the facing surfaces, a variation which could on the contrary occur in the case of polygonal embodiments (in the presence of an imperfect symmetry of the detection structure 11).
Con riferimento alla Figura 7 viene ora descritto un apparecchio elettronico 40, in cui pu? essere utilizzato il giroscopio microelettromeccanico 10. With reference to Figure 7, an electronic device 40 is now described, in which it can be used the microelectromechanical gyroscope 10.
Il giroscopio microelettromeccanico 10 include, oltre alla suddetta struttura di rilevamento 11, un circuito ASIC 43 che realizza la relativa interfaccia di lettura (e che pu? essere realizzato nella stessa piastrina ? ?die? ? in cui ? realizzata la struttura di rilevamento 11 o in una differente piastrina, che pu? comunque essere alloggiata in uno stesso package). The microelectromechanical gyroscope 10 includes, in addition to the aforementioned detection structure 11, an ASIC circuit 43 which implements the relevant reading interface (and which can be implemented in the same ? ?die? ? plate in which the detection structure 11 or in a different plate, which can still be housed in the same package).
L?apparecchio elettronico 40 ? ad esempio un apparecchio portatile di comunicazione mobile, come ad esempio un telefono cellulare, un PDA (Personal Digital Assistant), un computer portatile, ma anche un riproduttore di audio digitale con capacit? di registrazione vocale, una foto- o video-camera, un controller per videogiochi, ecc.; l?apparecchio elettronico 40 ? generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni. The electronic device 40 ? for example a portable mobile communication device, such as a mobile phone, a PDA (Personal Digital Assistant), a laptop, but also a digital audio player with voice recording device, a photo or video camera, a video game controller, etc.; the electronic device 40 ? generally capable of processing, storing and/or transmitting and receiving signals and information.
L?apparecchio elettronico 40 comprende un microprocessore (CPU) 44, che riceve i segnali rilevati dal giroscopio microelettromeccanico 10, ed un?interfaccia di ingresso/uscita 45, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, collegata al microprocessore 44. Inoltre, l?apparecchio elettronico 40 pu? comprendere una memoria interna 48, accoppiata operativamente al microprocessore 44. The electronic device 40 includes a microprocessor (CPU) 44, which receives the signals detected by the microelectromechanical gyroscope 10, and an input/output interface 45, for example equipped with a keyboard and a video, connected to the microprocessor 44. Furthermore , the electronic device 40 can? comprise an internal memory 48, operatively coupled to the microprocessor 44.
I vantaggi del giroscopio microelettromeccanico secondo la presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente. The advantages of the microelectromechanical gyroscope according to the present solution emerge clearly from the previous description.
In ogni caso, si sottolinea nuovamente come la presente soluzione consenta sostanzialmente di annullare le derive delle prestazioni elettriche della struttura di rilevamento 11, dovute alle deformazioni del substrato 14, a causa di sollecitazioni e stimoli esterni, ad esempio a causa di variazioni di temperatura o di sollecitazioni meccaniche, ad esempio derivanti dalla saldatura ad un circuito stampato o a cause di altra natura (quale invecchiamento o assorbimento di umidit?). In any case, it is once again underlined that the present solution substantially allows for the cancellation of the drifts in the electrical performance of the detection structure 11, due to the deformations of the substrate 14, due to external stresses and stimuli, for example due to variations in temperature or of mechanical stresses, for example deriving from soldering to a printed circuit or other causes (such as aging or humidity absorption).
La struttura di rilevamento 11 risulta in tal modo estremamente stabile, indipendentemente dalle condizioni di utilizzo e di assemblaggio nel relativo package. The detection structure 11 is thus extremely stable, regardless of the conditions of use and assembly in the relevant package.
Le prestazioni generali di rilevamento, in termini ad esempio della sensibilit?, non risultano inoltre variare rispetto a soluzioni tradizionali, dato che il meccanismo di rilevamento non viene modificato, cos? come non vengono sostanzialmente modificate la conformazione e la disposizione degli elettrodi di rilevamento rispetto alla massa inerziale. Furthermore, the general detection performance, in terms of sensitivity for example, does not appear to vary compared to traditional solutions, given that the detection mechanism is not modified, so as the conformation and arrangement of the detection electrodes with respect to the inertial mass are not substantially modified.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications and variations can be made to what is described and illustrated here without departing from the scope of protection of the present invention, as defined in the attached claims.
In particolare, ? evidente che la struttura di rilevamento 11 del giroscopio microelettromeccanico 10, di tipo uniassiale, pu? essere disposta nel piano orizzontale per rilevare una velocit? angolare intorno al secondo asse orizzontale y (anzich? intorno primo asse orizzontale x), in maniera del tutto analoga a quanto discusso in precedenza (in tal caso, essendo presenti solamente la terza e la quarta porzione di rilevamento 12c, 12d della massa mobile e gli accoppiati terzo e quarto elemento di statore 28c, 28d). In particular, ? It is evident that the detection structure 11 of the microelectromechanical gyroscope 10, of uniaxial type, can? be placed in the horizontal plane to detect a speed? angular around the second horizontal axis y (instead of around the first horizontal axis the coupled third and fourth stator elements 28c, 28d).
Alcuni aspetti della struttura di rilevamento 11 potrebbero inoltre variare, senza che questo comporti modifiche sostanziali alla soluzione proposta. Ad esempio, come del resto gi? indicato in precedenza, potrebbe essere prevista una differente conformazione nel piano orizzontale xy degli elementi di statore 28a-28d e della cornice 15 della massa mobile 12. Some aspects of the detection structure 11 could also vary, without this leading to substantial changes to the proposed solution. For example, how else already? indicated previously, a different conformation in the xy horizontal plane of the stator elements 28a-28d and of the frame 15 of the mobile mass 12 could be envisaged.
Claims (15)
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